岩土工程自适应锚位技术的有限元分析与应用

徐乾元

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司)

1 自适应有限元理论概述

自适应有限元理论要想判断是否具有足够的精度，必须参考计算所得的误差信息。换言之，误差较大的区域可以应用自适应有限元理论优化局部网格。计算机可以自动识别没有达到精度要求的网格区域，并自动优化该类区域，使其达到精度要求。从这一角度而言，自适应有限元理论的应用可以自动调整算法，且求解的过程也在不断改进中。研究者在初始网络中输入描述问题的几何特性，并录入其可接受网络的误差水平，计算机可根据需求自动算出满足要求的网络，从而提升了数据分析的效率及结果的可靠性。

2 岩土锚固自保护技术原理

处于工作状态下的锚固体系在外力的作用下会使锚杆所受的力处于平衡状态。若发生超载，锚固结构体系所受的外力增加，锚拉杆件的长度也随之增高。因为施工条件的限制，锚拉杆件的长度不能随之增加时，锚拉杆件就会断裂，从而破坏了锚固体。但锚拉杆件长度无限度增加，其本身的应力就会下降。严重时还会产生变形。

鉴于上述原因，如何在确保锚杆应力的前提下使其充分拉伸是解决锚固体系自我保护的关键点。在锚拉杆件上安装上塑性变形发生器，一旦该构件超出负荷就会产生塑性变形，以此保护锚拉杆件。自动保护装置在巩固锚拉应力的前提下，还可以最大限度保护锚杆。理论上讲，根据设计需求不同，塑性变形程度也可以无线扩大。

3 岩体工程自适应锚位技术应用

3.1 设计工作

3.1.1 有限元体系设计

在设计有限元体系时要确保自协调结构体系和单元结构体系的协调能力。在外力的作用下给予构件可转移多余荷载的空间。即使在单元结构中发生位移也不会对结构体系产生影响。重新组建结构体系，单元结构体系也会相应发生改变。重新组建的单元结构之间需留出一定的位移和变形空间，确保各个独立的单元结构处于同一个整体结构体系中。

3.1.2 结构体系的设计

设计锚固支护结构是为了达到力平衡的作用，锚固体在岩土体压力和锚固支护结构横向支撑力的相互作用中达到受力平衡[1]，在平衡条件下利用有限元理论计算锚固力，方法简单，实用性高。周围岩土的平衡状态在开挖岩土地下工程时被破坏，岩土体内部的应力重新分配成次应力，当次应力大于岩土承载力时周围的土体将遭到破坏，此时要做好支护。使用自适应锚位技术进行支护，将锚固体系和周围岩土体固定在一个整体支护结构中，可减少周围土体的破坏。

3.2 自保护装置试验

岩土锚固体系自保护装置（即塑性变形发生器）因其受力机理合理且工作性能良好，可以自动保护锚固体系，具有良好的应用前景。在自适应锚位技术施工前，试验该保护装置的安全性能是相当有必要的。

1）试验对象

受剪体形状不同所用到的试验方案也不同，可将其形状分为螺旋齿型和其他形状齿型。

2）试件设计

装置设计荷载的大小根据螺旋齿条的数量和齿宽决定，为确保荷载的稳定性需使用螺旋布置。设计齿条之间的间距时从两点入手：①确定装置尺寸后，根据螺旋的密度和齿条宽度确定极限荷载的大小；②尽可能避免荷载叠加，因而破坏前排齿剪切后，后排齿不能被挤压。

本试验的关键部分在于螺旋型的内芯，对于只起辅助作用的套筒的变形量在可控制的范围内即可。鉴于上述原因，选材时螺旋型的内芯使用A3钢，套筒选用高一级的钢材。

3）试验设备和测试系统

本试验中使用INSTRON1346材料伺服压力机。该试验机有2种加载方式，即荷载控制加载和位移控制加载。前者加载时，需确保试验机平板上的压力和位移均匀；后者加载时，平板压下的位移要保持一致。本试验选择后者控制加载。最大的位移数值为50mm，极限荷载数值为2000kN，加载速度控制为800sec。

对比荷载与位移变化曲线，得出如下结论。

①荷载大小与齿宽是有联系的，荷载会随着齿宽的增大而增大；

②改造之后的曲线起伏小，套筒接触面会随着齿条的厚度而增大，这时处于不完全受剪状态。从套筒中取出做好的试件时，根据其形状可知齿条是被剪坏的；

③当实际荷载小于设计荷载的80%时产生的位移很小，近似于直线变化；

④当实际荷载与设计荷载越来越接近时材料进入塑性状态，位移变大；

⑤初始破坏荷载达到最大值时，齿条抗剪能力和荷载能力均呈下滑趋势。这时可通过改变齿条始端形状来保持峰值荷载。

综上所述，螺旋齿剪切时既有剪切、扭转、挤压、弯曲等因素的影响，也有齿条间相互作用的影响。因而原则上讲自我保护装置可以达到理想塑性变形。

4 实际应用

从理论上说，“塑性变形发生器”的塑性变形大小不受限制，因而从某种程度上来看，这种结构的自保护装置塑性材料的性质是极好的。设计者应利用其装置的塑性强度，使锚拉构件在预应力结构体系中具有充分的变形能力。

4.1 工程概况

某工程施工区滑坡灾害频频发生，该区域内分布有仪表厂滑坡、大湾道滑坡、李子坝小学滑坡等。区域内滑坡长度达600m，宽达110m，弓形平面，面积为 6.2×104m2，体积约为 7.0×104m³。从滑体总体变形的滑移方向可知该滑坡的主滑方向为350°，其滑坡形式为牵引式。总体说来，成桩后自然覆土呈松散状态，深土层，需要填大量的土填平沟壑。此外，桩的下端岩岩体陡峭，嵌固性能差。若此时选择悬臂桩结构很难保证施工安全，出于经济性考虑，该工程选择桩锚结构。

4.2 设计计算

该工程的支护结构为桩锚结构，使用“理正岩土”软件计算，其参考标准需符合国家规定和重庆市地方规范。根据地勘报告选取岩土计算参数，计算时选择不利剖面。再加上滑坡的推力控制着支护结构，因而本文只选取滑坡推力作用下的计算结果。桩的总长度为26.000m，计算结果见表1。

上表中的数据为使用M法计算得来，土层序号为1层，厚50.000m，重度为22.000kN/m3，桩前滑动土层厚10.000m。

锚索参数为：道号为1，竖向间距7.000m，水平刚度20.000MN/m。

物理参数为：桩混凝土强度等级为C30；桩纵筋合力点到外皮距离为35mm；桩纵筋级别为HRB335；桩箍筋级别为HPB235；桩箍筋间距为200mm；使用一般挡土墙进行挡土。墙后填土内摩擦角32°，墙背与墙后填土摩擦角15°，墙后填土容重21.000kN/m3。

表1 结算结果

除上述内容外，滑坡推力在支挡处的推力较大，为使得锚固体系的受力性能良好，桩体量的重量变小，缩小嵌岩的深度，预应力锚索是最佳选择。但使用柔性锚索中的预应力锚索填坡时，还需解决如下问题：新填筑的填土在自重力的作用下会下沉，间接产生的弯曲荷载作用于锚索上，容易造成锚索下部的土体剥离，严重时锚索悬空，因其自重的影响出现弯曲。在填土段的预应力锚索是一根柔性锚索，抗弯性能不佳。当锚索处于悬垂状态时所能承受的横向力达到最大，当锚索紧绷时横向力稍微超出最大限值，锚索内的应力疯狂增长，有可能绷断锚索。

5 结语

本文基于实际情况，结合有限元理论分析岩土工程锚固技术的特点，并给出了岩土工程中自适应锚固支护单元结构的设计方法，可为类似工程提供参考。